Smarte Anbaugeräte als Schlüssel für die integrierte Armatur

Integrierte Armaturen machen Diagnosedaten nutzbar

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02.09.2016 Mit intelligenten Antrieben werden Stellventile mehr und mehr zu einem Teil der Automatisierungsstruktur einer Anlage. Welche aktuellen Entwicklungen sich hierbei abzeichnen und wohin die Reise in Zukunft geht, erklärt dieser Beitrag.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Die voranschreitende Digitalisierung und Integration der Armaturen trägt maßgeblich zu einer verbesserten Anlagenverfügbarkeit bei.
  • Um die von Stellungsreglern generierten Daten nutzen zu können, müssen offene Schnittstellen den standardisierten Datenaustausch von der Feldebene bis zum Asset-Management-System ermöglichen.
  • Die FDI-Technologie stellt einen ganzheitlichen standardisierten Ansatz zur Geräteintegration dar.

Intelligent, digital und durchgängig integriert, so soll die Prozessindustrie der Zukunft sein. Dabei reicht es nicht mehr aus, dass Feldgeräte wie Stellungsregler einzeln über Hart, Profibus oder Foundation Fieldbus mit dem Leitsystem oder der Prozessebene kommunizieren. Um alle auf der Feldebene generierten Daten nutzen zu können, müssen offene Schnittstellen den durchgängigen und standardisierten Datenaustausch von der Feldebene bis zum Asset Management System garantieren können.

Mit dem Wunsch nach durchgängiger Vernetzung rücken neben den primären Aufgaben weitere zusätzliche Anforderungen an digitale Feldgeräte in den Vordergrund. Dass beispielsweise Stellungsregler ihre Regelaufgabe verlässlich erfüllen oder Grenzsignalgeber die einstellbaren Grenzen genauestens anzeigen, ist zu einer Selbstverständlichkeit geworden. Im Mittelpunkt stehen die für die Digitalisierung wichtigen Daten. Sie müssen gesammelt, analysiert, gespeichert und übermittelt werden.

Ein mit Diagnosefunktion ausgestatteter Stellungsregler ist in der Lage, direkt erfassbare Größen wie Sollwert, Istwert, Regeldifferenz und Antriebsdruck kontinuierlich aufzuzeichnen und kritische Zustände sowie Anzeichen für Verschleißerscheinungen am Ventil zu melden. Zusätzliche Testfunktionen können die Diagnose erhärten und weiterführende Fehlzustände diagnostizieren. Dabei nimmt die erfassbare Datenmenge mit der Anzahl der im Stellungsregler integrierten Funktionen zu. Es ist einleuchtend, dass Ereignisse wie das Auslösen eines Magnetventils oder das Erreichen von Grenzwerten einfacher registriert werden können, wenn die Magnetventil- und Grenzsignalgeberfunktion Bestandteile des Stellungsreglers sind. Die Datenerfassung, ihre Speicherung und ihre direkte Bewertung sind dabei nur der erste Schritt. Eine große Rolle bei ihrer Nutzung spielen aber auch die Informationsübertragung an das Leitsystem und das angeschlossene Asset-Management-System.

Für die Datenübertragung zu diesen Systemen werden aktuell noch die gängigen Kommunikationsprotokolle Hart, Profibus und Foundation Fieldbus genutzt. Zur Geräteintegration existieren mit EDDL und FDT/DTM im Wesentlichen zwei unterschiedliche Integrationsmethoden, die in verschiedenen herstellerspezifischen Ausprägungen erhältlich sind. Aber Feldgeräte können nur dann optimal in ein Leitsystem integriert werden, wenn ihre Integrationsmethode von dem eingesetzten Leitsystem vollumfassend unterstützt wird. Über die Zeit haben sich zudem unterschiedlichste Leitsysteme auf dem Markt etabliert, was zu einem erhöhten Aufwand auf Hersteller- und Anwenderseite geführt hat: Während der Hersteller Geräteintegrationen basierend auf EDDL und FDT/DTM für verschiedene herstellerspezifische Leitsystemausprägungen vorhalten muss, wachsen auf Anwenderseite die Aufwendungen für Verwaltung und Know-how-Erwerb.

FDI: Interoperabilität vereinfacht Feldgeräteintegration

Eine Verbesserung der beschriebenen Situation stellt die FDI-Technologie in Aussicht, die einen ganzheitlichen standardisierten Ansatz zur Geräteintegration verfolgt. Basis ist das FDI Device Package, mit dem der Gerätehersteller nur noch eine zertifizierte Integrationsdatei je Feldgerät zur Verfügung stellt. Das FDI Device Package besteht aus drei Komponenten: Die EDD ist eine Datei mit den Gerätefunktionen, bestehend aus Device Definition, Business Logic und User Interface. Das User-Interface-Plugin, kurz UIP bietet die Möglichkeit, frei programmierbare Applikationen zu integrieren. In den Anhängen sind beispielsweise Betriebsanleitungen, Datenblätter und Zertifikate, aber auch die Gerätestammdaten (GSD) bei Geräten mit Profibus-Kommunikation enthalten.

Das FDI Device Package stellt somit sicher, dass es zu einem Feldgerät genau eine Integrationsdatei gibt und dies jeweils für die Protokolle Hart, Profibus und Foundation Fieldbus. Ein weiterer Vorteil von FDI ist die Unterstützung des OPC-UA-Standards, der die Datenbereitstellung zu weiteren Systemen wie z. B. Asset-Management-Systemen herstellerunabhängig ermöglicht.
Asset-Management-Systeme können die Diagnosedaten aller in der Anlage befindlichen Messstellen nicht nur dokumentieren, sondern auch in einem weiterführenden Kontext bewerten, wodurch neben der Historie jedes Ventils auch proaktive Wartungsansätze unterstützt werden. So können kritische Messstellen identifiziert und in der Folge Instandhaltungsarbeiten flexibel geplant werden. Die Nutzung dieser Möglichkeiten ohne FDI führt nicht selten dazu, dass neben dem Kommunikationsstrang zum Leitsystem ein zweiter Strang zum Asset-Management-System eingerichtet werden muss. Dies führt zu einem erhöhten Aufwand auf Anwenderseite, der durch Nutzung von FDI und der offenen OPC-UA-Schnittstelle vermieden werden kann.

FDI zur vorausschauenden Wartung von Stellventilen

Auf dem Kongress Automation in Baden-Baden demonstrierte Samson im Juni dieses Jahres die beschriebene Nutzung von FDI zur vorausschauenden Wartung von Stellventilen. Der gezeigte Aufbau wurde zusammen mit dem von Prof. Dr.-Ing. Daniel Großmann geleiteten Bereich Computer Science and Data Processing der Technischen Hochschule Ingolstadt entworfen. Dabei wird ein diagnosefähiger Stellungsregler mit einem FDI Device Package in den FDI-Server integriert und das Informationsmodell des enthaltenen OPC-UA-Servers entsprechend erstellt. Über einen OPC-UA-Client greift dann das herstellereigene Asset-Management-System Trovis Solution auf die entsprechenden Daten des Stellungsreglers zu. In dem System werden die Daten aller angeschlossenen Stellungsregler messstellenbezogen analysiert und gespeichert. Anhand einer Langzeitbeobachtung kann das Asset-Management-System Vorhersagen zum Funktionsvorrat der Ventile machen und praxisnahe Handlungsempfehlungen für kritische und auffällige Ventile geben.

Die voranschreitende Digitalisierung und Integration der Armaturen trägt maßgeblich zu einer verbesserten Anlagenverfügbarkeit bei. Beim Austausch großer Datenmengen stoßen die heute eingesetzten Kommunikationsprotokolle aber an ihre Grenzen. Eine weitere Performancesteigerung kann zukünftig durch den Einzug von Industrial Ethernet in der Feldebene erreicht werden. Mit zusätzlichen Bestrebungen, die horizontale Kommunikation in allen Ebenen zu ermöglichen, wären wichtige Hürden für den Einstieg in Industrie 4.0 genommen. Eine Vernetzung der Feldgeräte untereinander wird dazu beitragen, in der Feldebene gewonnene Daten zu plausibilisieren und die Qualität der Analyseaussagen zu optimieren. Weiter in die Zukunft gedacht, bietet die Vernetzung einzelner Asset-Management-Systeme untereinander den Ausblick auf eine zunehmende Effizienzsteigerung in der Prozessindustrie. Mit der standardisierten Datenaustauschmethode, die die FDI-Technologie bietet, und der offenen OPC-UA-Schnittstelle sind die ersten Schritte in diese Richtung gemacht. 1605ct917

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Heftausgabe: September 2016

Über den Autor

Monika Schneider, Technische Dokumentation, Samson, Peter Arzbach, Technischer Vertrieb, Samson
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